Una popolazione di coppie buchi neri in fase di fusione

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08 novembre 2018

Una complessa serie di osservazioni con telescopi terrestri e osservatori nello spazio ha permesso di individuare una moltitudine di coppie di galassie, ciascuna con un buco nero al centro, prima del processo che le porterà a fondersi, formando un altro buco nero di massa mostruosa(red)

Numerose galassie nelle fasi finali del loro processo di fusione in singole galassie più grandi, a cui si accompagna la coalescenza dei buchi neri presenti nel nucleo di queste galassie, che porta alla nascita di nuovi buchi neri di masse spropositate: il grandioso evento è stato osservato per la prima volta da astronomi guidati da Michael Koss dell’Università del Maryland, che firmano un articolo su “Nature”.

Una popolazione di coppie buchi neri in fase di fusione
Immagini delle fasi finali per processo di fusione per diverse galassie osservate nello studio. (Credit: NASA, ESA, e M. Koss, Eureka Scientific, Inc.; Keck images: W. M. Keck Observatory e M. Koss, Eureka Scientific, Inc.; Pan-STARRS images: Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System e M. Koss, Eureka Scientific, Inc.)

La scoperta è l’esito del monitoraggio di centinaia di galassie vicine effettuato con l’Osservatorio Keck, nelle Isole Hawaii, costituito da due telescopi gemelli, che sono riusciti a penetrare le spesse coltri di gas e polveri che circondano i nuclei di queste galassie, e della ricerca di immagini nel ricco archivio del telescopio spaziale Hubble della NASA.

Il gruppo ha prima cercato buchi neri attivi analizzando i dati dei raggi X di oltre dieci anni di rilevazioni del Burst Alert Telescope (BAT) a bordo dell’osservatorio spaziale Swift della NASA. “Il vantaggio di usare il BAT di Swift è che osserva raggi X cosiddetti ‘duri’, cioè dotati di elevata energia”, ha spiegato Richard Mushotzky, professore di astronomia all’Università del Maryland, membro del Joint Space-Science Institute e co-autore dello studio. “Questi raggi X attraversano le spesse nuvole di polvere e gas che circondano le galassie attive, permettendo al BAT di vedere cose che sono letteralmente invisibili in altre lunghezze d’onda”.

Gli autori hanno poi rimesso mano all’archivio delle immagini di Hubble, andando alla ricerca di coppie di galassie in fase di fusione che potessero corrispondere a quelle osservate da Swift. Infine, hanno usato i telescopi Keck per identificare nello spettro del vicino infrarosso i buchi neri che emettono radiazione X ma che non si trovano nel catalogo di Hubble.

Questo telescopio ad alto potere risolutivo è stato puntato in particolare a circa 330 milioni di anni luce da noi, su un gruppo di galassie simili per dimensioni alla Via Lattea e alla galassia di Andromeda.

Lo studio ha dimostrato che su un totale di 96 galassie osservate dal telescopio Keck e di 385 osservate da Hubble, il 17 per cento di esse ospita una coppia di buchi neri che si avvolgono a spirale l’uno intorno all’altro, una dinamica che preannuncia la successiva fusione in un buco nero supermassiccio. Gli autori si sono detti sorpresi di aver trovato una percentuale così elevata di oggetti in questa fase avanzata di evoluzione, dato che la maggior parte delle simulazioni indicano che le coppie di buchi neri passano in questa fase un tempo relativamente breve.

Per verificare i loro risultati, i ricercatori hanno confrontato le galassie osservate con un gruppo di controllo di 176 altre galassie dall’archivio di Hubble che non hanno buchi neri in fase di crescita attiva. In questo gruppo, solo circa l’uno percento delle galassie ospita probabilmente coppie di buchi neri nelle fasi che precedono di poco la fusione.

Quest’ultimo passo ha aiutato i ricercatori a confermare che i nuclei galattici luminosi individuati nel loro censimento di galassie polverose interagenti sono in effetti la firma di coppie di buchi neri in rapida crescita destinati a una collisione. Secondo i ricercatori, questa scoperta è coerente con le previsioni teoriche, ma prima d’ora non era stata verificata da osservazioni dirette.

“Già in passato erano stati effettuati studi per cercare questi buchi neri interagenti, ma a permettere questo particolare studio sono stati i raggi X che possono penetrare la coltre di polveri galattiche”, ha spiegato Koss. “Abbiamo anche guardato un po‘ più lontano nell’universo in modo da poter esaminare un grande volume di spazio, dandoci maggiori possibilità di trovare buchi neri più luminosi e in rapida crescita”.

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La collisione galattica che “ingrassò” la Via Lattea

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05 novembre 2018

Le stelle della Via Lattea con una traiettoria e una composizione chimica differente dalla grande maggioranza delle altre sono i resti di un’antica galassia, chiamata Gaia-Encelado, che dieci miliardi di anni fa entrò in collisione con la nostra e vi fu inglobata, provocando anche un rigonfiamento nel disco galattico. La scoperta è avvenuta grazie ai dati raccolti dalla missione Gaia dell’ESA(red)

VAI AL VIDEO: Come avvenne la collisione fra le due galassie

Dieci miliardi di anni fa circa la nostra galassia ne ha inglobata un’altra, le cui stelle sono andate a formare una parte consistente dell’alone interno; la fusione ha inoltre compresso il disco galattico interno facendogli assumere una conformazione molto più spessa di quella originaria. A scoprirlo è stato un gruppo di astronomi dell’Università di Groningen, nei Paesi bassi e dell’ Université Grenoble Alpes, in Francia, che firmano un articolo su “Nature”.

La collisione galattica che "ingrassò" la Via Lattea
Raffigurazione immaginifica dello scontro fra la Via Lattea e Gaia-Encelado.

La scoperta è avvenuta analizzando i dati della missione di Gaia dell’ESA che, iniziata nel 2013, sta realizzando un’accurata mappa tridimensionale delle stelle della regione galattica più vicina al nostro Sole: finora ha determinato con precisione la posizione di oltre 1,7 miliardi di stelle, di 1,3 miliardi delle quali ha anche stabilito velocità e direzione di spostamento.

Ispirandosi al nome della sonda, gli astronomi hanno chiamato la galassia dell’impatto Gaia-Encelado, in onore di uno dei giganti della mitologia greca, figlio di Gaia (la Terra), e Urano (il Cielo). “Secondo la leggenda – spiega Amina Helmi, prima autrice dell’articolo – Encelado fu sepolto sotto l’Etna, in Sicilia, ed è responsabile dei terremoti locali. Allo stesso modo, le stelle di Gaia-Encelado sono state profondamente sepolte nei dati di Gaia, e hanno scosso la Via Lattea, portando alla formazione del suo spesso disco.”

La collisione galattica che "ingrassò" la Via Lattea
La mappa celeste indica la posizione di alcune delle stelle che un tempo formavano la galassia Gaia-Encelado. (Cortesia: Esa / Gaia / Dpac; A. Helmi et al. 2018)

Analizzando i primi 22 mesi di osservazioni di Gaia, relativi a 7 milioni di stelle, Helmi e colleghi hanno scoperto che circa 30.000 di esse si muovevano lungo traiettorie eccezionalmente allungate e, cosa

ancor più strana, in direzione opposta alla stragrande maggioranza degli altri cento miliardi di stelle della Via Lattea, Sole compreso.

Non solo: la luminosità e il colore che caratterizzano quelle stelle indicano che appartengono a una popolazione distinta da quella degli astri circostanti o, come dicono gli astronomi, si collocano in una posizione nettamente diversa sul diagramma di Hertzsprung-Russell, che descrive l’evoluzione della vita delle stelle.

A questo punto i ricercatori – che in precedenza avevano studiato i modelli teorici degli effetti della fusione di due galassie – hanno sospettato che fosse questa l’origine di quelle stelle anomale, una conclusione che è stata poi confermata dai dati spettroscopici ottenuti con l’esperimento APOGEE (Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment) che ha permesso di stabilirne la composizione chimica.

Le stelle che si formano nelle diverse galassie hanno infatti composizioni chimiche uniche che corrispondono alle condizioni della galassia d’origine e alla loro età.

La collisione galattica che "ingrassò" la Via Lattea
Struttura della Via Lattea. (A sinistra: NASA/JPL-Caltech; a destra: ESA; layout: ESA/ATG medialab)

Secondo le simulazioni dei ricercatori, 10 miliardi di anni fa la nostra galassia avrebbe fagocitato Gaia-Encelado, che aveva dimensioni di poco superiori a quelle della Piccola Nube di Magellano, una galassia satellite della Via Lattea attuale.

All’epoca tuttavia, la Via Lattea stessa era più piccola, per cui il loro rapporto era di poco superiore a 4 a uno e per questo la collisione ha avuto effetti notevoli sulla struttura della nostra galassia. In particolare avrebbe riscaldato la parte centrale del disco galattico portandola da uno spessore originario di alcune centinaia di anni luce, simile a quello che si osserva oggi in prossimità dei bracci di spirale, a uno spessore di diverse migliaia di anni luce.